Technologie membranowe – elektrodializa i odwrócona osmoza

Wiele procesów przemysłowych wymaga wody o wysokiej klasie czystości. Naturalna woda zawiera wiele soli, minerałów i zanieczyszczeń. Technologie membranowe umożliwiają uzyskanie wody demineralizowanej. Dwie najważniejsze z nich to odwrócona osmoza (RO) i elektrodializa (ED). Obie metody działają na odmiennych zasadach i mają różne zalety. Odwrócona osmoza wykorzystuje ciśnienie do przepuszczania wody przez półprzepuszczalną membranę, zatrzymując zanieczyszczenia, podczas gdy elektrodializa korzysta z pola elektrycznego do przemieszczania jonów przez membrany selektywne, oddzielając czyste i zanieczyszczone frakcje.

Elektrodializa

Elektrodializa (ED) to proces umożliwiający oddzielenie minerałów z roztworu wody. Jest on zamiennikiem wymiany jonowej oraz odwróconej osmozy. W odróżnieniu od technologii opartych na złożach jonowych elektrodializa spełnia wymogi produkcji ekologicznej. Proces wykorzystuje kontrolowany gradient pola elektrycznego, który powoduje przemieszczanie się jonów przez membrany jonoselektywne. W wyniku tego powstają dwa strumienie: koncentrat (solanka) oraz woda demineralizowana.

Przebieg procesu elektrodializy

Elektrodializa to proces, w którym jony są transportowane przez półprzepuszczalne membrany za pomocą przyłożonego pola elektrycznego. Proces ten odbywa się w komorze elektrodializy, gdzie strumień zasilający i strumień permeatu (filtratu) są oddzielone membraną polielektrolitową.
Pole elektryczne powstaje dzięki reakcją elektrochemicznym zachodzącym na katodzie i anodzie:
Na katodzie: 2e- +2H2O -> H2 + 2OH-
Na anodzie: H2O -> 2H+ + ½ O2 +2e-
Komora elektrodializy składa się z naprzemiennych membran anionowymiennych (AEM) i kationowymiennych (CEM). Membrana kationowymienna, wykonana z anionowego polielektrolitu, przepuszcza kationy i zatrzymuje aniony. Z kolei membrana anionowymienna, z kationowego polielektrolitu, przepuszcza aniony, a zatrzymuje kationy.

Przepływ kationów i anionów powoduje, że strumień koncentratu staje się bogaty w jony, podczas gdy w strumieniu produktu nie znajdują się żadne jony.

Zalety elektrodializy

• Wysoki odzysk wody, sięgający do 95%
• Woda surowa może zawierać duże stężenia soli mineralnych
• Brak konieczności wstępnego oczyszczania wody
• Niska podatność na zanieczyszczenia organiczne
• Wysoka tolerancja membran na wolny chlor rozpuszczony w wodzie
• Brak wpływu krzemionki na proces uzdatniania
• Długa żywotność membran, wynosząca około 10 lat
• Technologia przyjazna środowisku

Odwrócona osmoza

Odwrócona osmoza (RO) wykorzystuje ciśnienie do transportu wody przez membranę, zatrzymując po większość jonów i innych zanieczyszczeń, a przepuszczając oczyszczoną wodę. Proces RO znajduje wiele zastosowań m.in. w sterylizatorach, przemyśle chemicznych, laboratoriach, przemyśle spożywczym oraz wszędzie tam, gdzie wymagana jest woda o wysokiej czystości.
Aby chronić membranę, konieczne jest zastosowanie filtracji wstępnej i zmiękczania wody. Membrana osmotyczna jest wrażliwa na chlor, dlatego często przed procesem RO montuje się filtr węglowy usuwający wolny chlor. Ponadto krzemionka rozpuszczona w wodzie może blokować pory i uszkadzać membranę.

Technologie membranowe: Elektrodializa, a odwrócona osmoza

Elektrodializa charakteryzuje się kilkoma zaletami, których nie posiada odwrócona osmoza. Pierwszą z nich jest odporność membran na wolny chlor rozpuszczony w wodzie, co eliminuje konieczność stosowania filtracji węglowej, niezbędnej w procesie odwróconej osmozy. Membrany używane w elektrodializie nie są wrażliwe na obecność krzemionki, która w procesie RO powoduje zapychanie porów membran i zmniejsza ich wydajność. Ponadto ED wykazuje większą odporność na zanieczyszczenia organiczne, co czyni ją bardziej wytrzymałą i efektywną w trudniejszych warunkach.

Kolejną istotną zaletą jest brak potrzeby wstępnego uzdatniania wody, które jest niezbędne w procesie odwróconej osmozy. Woda przeznaczona do procesu RO musi być uprzednio oczyszczona, pozbawiona stałych zanieczyszczeń oraz zmiękczona, co zwiększa koszty i złożoność całego procesu. W przypadku elektrodializy wstępne oczyszczanie nie jest konieczne, co czyni ją bardziej ekonomiczną i prostszą w zastosowaniu metodą uzdatniania wody.
Technologia elektrodializy spełnia również wszystkie wymagania Unii Europejskiej dotyczące wytwarzania produktów ekologicznych, co czyni ją atrakcyjną alternatywą dla bardziej konwencjonalnych metod uzdatniania wody.

Produkty ekologiczne, a uzdatnianie wody

Wiele branż przemysłowych, w tym spożywcza, wykorzystuje wodę o wysokiej czystości. Dodatkowo wiele firm spożywczych stara się uzyskać certyfikaty EKO/BIO dla swoich produktów. Zgodnie z unijnymi rozporządzeniami, technologie wykorzystujące żywice jonowe, jonity czy żywice adsorpcyjne nie mogą być stosowane w produkcji żywności ekologicznej. Wyjątkiem jest żywność specjalnego przeznaczenia, zazwyczaj przeznaczona dla dzieci. Oznacza, że producenci żywności ekologicznej, aby spełnić te rygorystyczne wymogi, muszą stosować alternatywne metody uzdatniania wody, zgodne z dyrektywą unijną.

Dlaczego elektrodializa w produkcji żywności ekologicznej?

Branże spożywcze, jak wspomniano powyżej, wymagają wody demineralizowanej, którą można uzyskać m.in. dzięki odwróconej osmozie lub elektrodializie. Odwrócona osmoza wymaga jednak wstępnego oczyszczenia, np. przez adsorpcję na odpowiednich żywicach lub wymianę jonową, co wyklucza jej użycie w produkcji żywności ekologicznej. W takich przypadkach idealnym rozwiązaniem jest elektrodializa, która nie wymaga wstępnego uzdatniania. Ponadto technologia nie wykorzystuje żadnych środków chemicznych, co sprawia, że jest metodą bezpieczną i przyjazną dla środowiska.